Квантово-хімічне моделювання процесів взаємодії водню, силану, атомів та іонів фосфору і бору з упорядкованими та дефектними поверхнями Si(100) І Ge(100) - Автореферат

Так, не дивлячись на численні теоретичні і експериментальні дослідження процесів взаємодії водню з поверхнями Si(100) і Ge(100), деталі механізмів його адсорбції та десорбції залишаються до кінця не зясованими. Адсорбція атомів і іонів цих елементів на поверхні Si(100) і Ge(100) становить інтерес як перша стадія дифузії атомів та іонів в приповерхневі шари, і як спосіб зміни фізико-хімічних властивостей поверхні. Дисертаційна робота виконувалася згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри твердотільної електроніки і мікроелектроніки Запорізького національного університету, а також повязана з тематикою наукових робіт: “Вплив активних атомних частинок газового оточення на фізичні властивості поверхні висотних літальних апаратів” (проект НТЦУ 1146); „Радикальна хеміепітаксія наношарів на поверхні елементарних і двокомпонентних напівпровідників” (держбюджетна тема, шифр 2/04, № державної реєстрації 0103У002180); „Дослідження фізико-хімічних процесів у приповерхневих шарах напівпровідників при взаємодії з прискореними атомними частинками і частинками теплових енергій” (держбюджетна тема, шифр 2/01, № державної реєстрації 0204У003069). провести розрахунки конфігурацій вакансійного дефекту на поверхнях Si(100)-2Ч1 і Ge(100)-2Ч1 при різному ступені покриття поверхні воднем. обчислити геометричні та електронні характеристики структур, що утворюють атоми (іони) фосфору та бору при адсорбції на поверхні Si(100) і Ge(100); розрахувати значення енергій активації адсорбції, енергій звязку адсорбованих частинок з поверхнею (теплоти адсорбції); виявити роль точкових дефектів у процесах адсорбції та дифузії.Особлива увага приділена питанням, що одержали подальший розвиток в дисертаційній роботі: атомній та електронній структурі поверхонь Si(100)-2Ч1 і Ge(100)-2Ч1, взаємодії водню з поверхнями Si(100) і Ge(100), ролі дефектів структури поверхні в процесах хемосорбції; взаємодії атомів та іонів елементів III та V груп з поверхнями Si(100) і Ge(100). Розміри кластерів й методи розрахунків їхньої геометрії вибиралися виходячи з можливості моделювання впливу реконструкції, релаксації й ступеня покриття поверхні на процеси адсорбції й десорбції з врахуванням наявних обчислювальних можливостей. Ряд дослідників поверхонь Si(100) і Ge(100) вважають, що наявність асиметричних димерів на поверхнях є „колективним ефектом” і залежить від розміру кластера. У подальшому пошук рівноважних геометричних конфігурацій відбувався шляхом зміни положення атома димера, що залишився, у межах першого та другого атомного шару в напрямку, перпендикулярному поверхні й вздовж поверхні в межах димерного ряду, який містить вакансію. Розрахунки взаємодії атомарного водню з моногідридними станами на поверхні Ge(100) вказують на те, що на відміну від поверхонь Si(100), для поверхні Ge(100) значення енергії активації десорбції молекули водню при звязуванні одного з адсорбованих на поверхні атомів Н з атомом Н газової фази є значно меншим за значення енергії активації адсорбції, яка призводить до утворення дигідридного стану.Дослідження елементарних актів взаємодії в системах „поверхня напівпровідника - адсорбат” дозволили встановити домінуючі механізми процесів при різних ступенях покриття поверхонь воднем і виявити роль точкових дефектів (вакансійного дефекту) у цих процесах. Встановлено, що ступінь покриття поверхні Si(100) насиченими моногідридними центрами впливає на механізм десорбції водню і на значення енергій активації десорбції (для малих покриттів Ed=2,1 ЕВ, для великих - Ed=2,4 ЕВ). Для поверхонь Ge(100) ступінь покриття моногідридними станами не впливає на механізм десорбції водню і на значення енергії активації його десорбції (Ed=2,9 ЕВ). Десорбція водню з дигідридних центрів на поверхнях Si(100) і Ge(100) відбувається за різними механізмами: Механізм десорбції водню з дигідридних центрів не залежить від ступеня покриття поверхні воднем. Значення енергій активації десорбції водню залежать від ступеня покриття поверхонь насиченими дигідридними центрами і складають для поверхні Si(100) 1,4 ЕВ для малих і 1,5 ЕВ для великих покриттів, а для поверхні Ge(100) - 2,0 ЕВ для малих і 2,5 ЕВ для великих покриттів.

Основний зміст роботи

Дослідження елементарних актів взаємодії в системах „поверхня напівпровідника - адсорбат” дозволили встановити домінуючі механізми процесів при різних ступенях покриття поверхонь воднем і виявити роль точкових дефектів (вакансійного дефекту) у цих процесах. З численних результатів комплексних досліджень можна зробити такі висновки.

1. Використання методу MNDO дозволяє відтворювати на кластерах Si63(Ge63) геометричні та електронні характеристики чистих поверхонь Si(100)-2Ч1 і Ge(100)-2Ч1, які добре узгоджуються з існуючими експериментальними даними і розрахунками, проведеними іншими методами.

2. Вперше встановлено, що на поверхні Ge(100)-2Ч1 можливе існування двох станів вакансійного дефекту: основного і квазірівноважного, повна енергія системи в якому на 0,37 ЕВ більша, ніж в основному. Адсорбційними центрами на дефектній поверхні є атоми другого шару в області вакансії і поверхневий атом дефектного димера. Доведено вплив геометричних характеристик конфігурації дефекту на адсорбційні властивості поверхонь і на механізми взаємодії з воднем.

3. Встановлено, що ступінь покриття поверхні Si(100) насиченими моногідридними центрами впливає на механізм десорбції водню і на значення енергій активації десорбції (для малих покриттів Ed=2,1 ЕВ, для великих - Ed=2,4 ЕВ). Для поверхонь Ge(100) ступінь покриття моногідридними станами не впливає на механізм десорбції водню і на значення енергії активації його десорбції (Ed=2,9 ЕВ).

Десорбція водню з дигідридних центрів на поверхнях Si(100) і Ge(100) відбувається за різними механізмами:

Механізм десорбції водню з дигідридних центрів не залежить від ступеня покриття поверхні воднем. Значення енергій активації десорбції водню залежать від ступеня покриття поверхонь насиченими дигідридними центрами і складають для поверхні Si(100) 1,4 ЕВ для малих і 1,5 ЕВ для великих покриттів, а для поверхні Ge(100) - 2,0 ЕВ для малих і 2,5 ЕВ для великих покриттів.

4. Причиною труднощів в утворенні дигідридних станів на упорядкованій поверхні Ge(100) є більша ймовірність десорбції водню з поверхні при звязуванні атома Н, адсорбованого на поверхні, з атомом Н газової фази, ніж руйнування димерного звязку і утворення дигідриду: Еа=1,8 ЕВ, Ed=0,6 ЕВ. Утворення дефекту на поверхні Ge(100) призводить до появи потенційного дигідридного центра адсорбції на відміну від чистої упорядкованої поверхні Ge(100).

5. Ступінь покриття поверхні Si(100) воднем впливає на механізм адсорбції силану SIH4: адсорбція силану на чистій впорядкованій поверхні відбувається без руйнування поверхневих димерів Si-Si; адсорбція силану на поверхні Н/Si(100) може відбуватися як без руйнування поверхневих димерів Si-Si, так і, за певних умов, з руйнуванням поверхневих димерів Si-Si.

6. Результатом взаємодії атомів фосфору та бору з поверхнями Si(100)-(2Ч1) і Ge(100)-(2Ч1) є утворення гетеродимерів Si-P, Si-B, Ge-P, Ge-B і димерних структур Р-Р, B-B різного типу. Утворення гетеродимерів відбувається в результаті хемосорбції фосфору або бору на область вакансійного дефекту на поверхні.

7. Адсорбовані іони В впроваджуються в поверхні Si(100) і Ge(100), утворюючи гетеродимери типу Si-B або Ge-В, що значно знижує повну енергію поверхні. Енергія активації адсорбції з утворенням гетеродимерів на поверхнях Si(100) і Ge(100) більша (1,4 - 1,5 ЕВ) за енергію активації міграції адсорбованих іонів бору по поверхні (0,4 - 1,2 ЕВ). В результаті міграції адсорбовані іони бору можуть утворювати димери В-В, які є відносно стабільними і знижують адсорбційну активність поверхні.

8. Адсорбція негативних і позитивних іонів фосфору не призводить до утворення димерів Р-Р. Іони заміщують атоми кремнію чи германія, що у випадку адсорбції іонів Р , призводить до утворення гетеродимерів Si-P, Ge-P. У випадку адсорбції іонів Р-, фосфор заміщує атоми першого шару поверхні без утворення гетеродимерів.

1. Ананьїна О.Ю., Яновський О.С., Котляров А.П. Моделювання взаємодії атомарного водню з вакансійним дефектом на поверхні Ge(100) // Фізика і хімія твердого тіла. - 2003. - №4. - C. 638-642.

2. Астафєв П., Ананьїна О. Взаємодія фосфору з атомарно-чистими поверхнями Ge(100) // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. - 2003. - №14. - C.188-194.

3. Ананьина О.Ю., Котляров А.П., Бабко С.В., Яновский А.С. Моделирование вакансионного дефекта на поверхности Ge(100) // Поверхность. - 2004. - №2.- C.10-16.

4. Ананьина О.Ю., Яновский А.С. Хемосорбция фосфора на чистых упорядоченных и дефектных поверхностях Si(100) // Поверхность. - 2004. №5. - C.65-68.

5. Ananyina O., Yanovsky O. Simulation of phosphorus ions interaction with Ge(100)-2Ч1 surfaces // Vacuum. - 2005. - V. 78/2, N 4. - P. 509-513.

6. Ананьина О.Ю., Котляров А.П., Яновский А.С. Моделирование взаимодействия водорода с упорядоченными поверхностями Ge(100) // Труды Харьковской научной ассамблеи ICVTE-6. - Харьков (Украина). - 2003. - C. 8-10.

7. Яновский А.С., Ананьина О.Ю. Моделирование адсорбционных свойств модифицированной поверхности Ge(100) // Труды 16-той Международной конференции ВИП-2003. - Звенигород (Россия). - 2003.- Т2. - C. 244-247.

8. Ананьїна О.Ю, Бабко С.В., Котляров А.П. Вивчення адсорбції водню на упорядковані поверхні Ge(100)-(2Ч4) // Праці Міжнародної конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2003. - Львів (Україна). - 2003. - С. 128.

9. Ananyina O., Yanovsky O. Boron ions interaction with Si(100)-2Ч4 surfaces // Proc. V-th International Conference ION 2004. - Kazimierz Dolny (Poland). - 2004. - P. 158.

10. Ananyina O., Yanovsky O. Simulation of SIH4 adsorption on Si(100)-(2Ч1) and H/Si(100) surfaces // Proc. 3rd International Conference On Hot Wire CVD Process. - Utrecht (the Netherlands). - 2004. - P.127-130.

11. Ananyina О.Y., Yanovsky O.S. Quantum-chemical modeling of boron interaction with Ge(100)-(2Ч1) surfaces // Proc. 4-th Inter. Young Scientists Conf. On Appied Phis -Kiev (Ukraine). - 2004. - P. 155-156.

12. Яновский А.С., Ананьина О.Ю. Взаимодействие ионов бора В с поверхностью Si(100) // Труды 17-той Международной конференции ВИП-2005. - Звенигород (Россия). -2005.- Т2.- C. 248-250.

13. Ananyina O., Yanovsky O., Babko S., Simulation of Hydrogen Interaction with Si Nanoclusters // Proceedings of H-Workshop 2005 “Hydrogen Storage with Novel Nanomaterials”. - Bad Honnef (Germany). - 2005. - P. 54.

Список використаних джерел

1. Sen P., Ciraci S., Batra I.P., Grein C.H., Sivananthan S. Finite temperature studies of Te adsorption on Si(001) // Surface Science. - 2002. - Vol. 519. - P.79-89.

2. Cakmak M., Srivastava G.P. Theoretical study of dangling-bond wires on the H-terminated Si surface // Surface Sci. - 2003. - Vol. 532-535. - P. 556-559.

3. Cakmak M., Srivastava G.P. Adsorption of GEH2 on the bare and hydrogenated Ge(100) surfaces // Vacuum. - 2002. - V.67, №1. - P.21-25.